基于聯盟區塊鏈的電子病歷系統模型研究

◆潘時清 李洪進 潘桃桃

基于聯盟區塊鏈的電子病歷系統模型研究

◆潘時清 李洪進通訊作者潘桃桃

（遵義醫科大學醫學信息工程學院 貴州 563000）

本文通過研究聯盟區塊鏈技術，結合醫療健康信息集成規范IHE，探討對跨區域電子病歷共享模型研究方法，構建了基于聯盟區塊鏈的電子病歷系統模型，設計系統的四個智能合約。區塊鏈存儲患者關鍵醫療和交易記錄，采用了改進的PBFT共識算法，該算法適用于P2P網絡且能耗較低；醫療機構作為聯盟成員互聯互通，自動執行智能合約，通過授權可以共享和交換患者的完整病歷信息。這個跨平臺、安全可靠的醫院間電子病歷共享模型，對醫療大數據背景下共享醫療資源和提升醫療系統的服務質量有重大的現實意義。

電子病歷；聯盟區塊鏈；共識算法；智能合約

1 引言

電子病歷是臨床醫療信息的主要載體，包含了大量的醫療數據，目前各個醫療機構、政府、第三方機構等部門不能很好實現數據共享，而且在電子病歷中包含有患者診療的隱私健康數據信息，因此如何高效安全地進行數據共享和如何設計電子病歷共享系統的智能合約是實施的關鍵點和難點。采用區塊鏈技術在醫療機構間建立聯盟區塊鏈，被授權加入區塊鏈的節點采用相同結構來存儲和訪問數據可解決該問題。本文主要研究區塊鏈技術在醫療領域的應用，在醫療機構間建立聯盟區塊鏈，并建立支持電子病歷調度的數據共享平臺，采用智能合約來表示區塊鏈上患者、醫院、病歷信息指針和患者-醫院之間的就診關系、信息如何存儲和查詢，怎樣既能保護患者隱私又能方便信息的共享。結合醫療健康信息集成規范對醫院間電子病歷互訪機制建模，區塊鏈存儲患者關鍵醫療和交易記錄。醫院作為聯盟成員互聯互通，自動執行智能合約，通過授權共享患者完整病歷信息。區塊鏈為數據記錄和身份管理提供標準，橢圓曲線加密算法進行數字簽名，利用醫療信息同時又避免患者隱私泄露。該模型的實現能方便患者跨域看病，提升醫療系統服務質量，對醫療大數據背景下共享資源，整合挖掘醫療數據有現實意義。

2 區塊鏈技術

區塊鏈（Block Chain）技術是一個集數據庫、開放性、安全性等功能為一體的創新技術，區塊鏈有嚴密組織架構的授權賬簿，能夠實時核實和記錄所有交易，這種特殊運作模式將會顛覆當前醫療衛生行業的信息處理方式，可以解決“互聯網+醫療”和“醫療大數據”背景下醫療數據系統存在的問題，本文研究的電子病歷共享系統利用區塊鏈技術來存儲交易，具有去中心化和去信任化的特性。區塊鏈的基礎架構模型如圖1所示，自上而下有六層，包括：應用層、合約層、激勵層、共識層、網絡層和數據層。數據層是區塊鏈的數據表示及數據操作規則；網絡層管理著區塊鏈網絡中節點間的通信聯系；共識層是描述節點間達成一致性的一組協議，包括POW、POS、DPOS、PBFT等共識算法；激勵層掌握著讓系統正常運作的激勵措施；合約層通過虛擬機及編程語言工具為區塊鏈提供開發環境；應用層是基于區塊鏈底層體系結構所能實現的醫療數據發布、查詢等功能模塊的集合。

圖1 區塊鏈基礎結構模型

區塊鏈包括數據塊block和鏈接chain，這些數據塊由密碼學算法加密產生，數據結構如圖2所示，每個區塊包含區塊頭和區塊體，區塊頭由版本號、時間戳、前個區塊形成的哈希散列、隨機數、難度值、MERKLE 根樹的哈希值幾個部分構成，區塊體記錄了電子病歷的全部交易信息[1]。區塊鏈上每個區塊的信息都可以由前驅節點追溯，并影響后繼節點的信息構成。其密碼學方法保證了惡意攻擊無法篡改信息，從而確保數據的安全性和完整性。區塊鏈的構建遵循一整套共識和協議機制，全網每個節點都可驗證或入記錄，但只有當全網大部分節點一致確認某個記錄的正確性，相應數據才允許被寫入區塊中。

區塊鏈分為公有鏈、聯盟鏈及私有鏈[2]，本文研究主要針對聯盟區塊鏈的技術特點進行深入探討。聯盟區塊鏈由行業內部挑選出多個節點作為記賬節點，如何在醫療機構間建立聯盟區塊鏈，利用區塊鏈技術存儲患者的關鍵醫療記錄和交易記錄，而完整的病歷記錄還是存儲在本地系統的數據庫中。

圖2 區塊鏈的數據結構

3 改進PBFT的共識算法

拜占庭容錯（Practical Byzantine FaultTolerance，PBFT）是在異步網絡環境下使用狀態機的副本復制算法，常應用于分布式系統中，具有容錯性強、吞吐量大、時延低等特性。聯盟區塊鏈的共識過程只有預選記賬節點參與，其他節點可以參與交易，但是不過問記賬過程，本區塊聯盟鏈存儲電子病歷共享模型并不是全網都參與共識，一般采用非工作量證明的共識算法，可以用拜占庭容錯，但是該算法是 C/S 請求響應模式有缺點，需要改進適用于P2P網絡且能耗較低的IPBFT算法。

根據聯盟區塊鏈的特性，提出改進的拜占庭容錯算法（IPBFT， Improved Practical Byzantine Fault Tolerance），該算法的錯誤節點不超過（n-1）/3的容錯保證，算法設計如下，它將服務建模為狀態機，要求在聯盟區塊鏈的節點個數n超過4，在分布式網絡中的不同節點上進行副本復制，網絡中的服務都在這些副本上保存相應的狀態信息并實現相應的操作，要求按照輪次來循環，在每輪中要計算選出主節點f來組織交易，只有超過2/ 3 的節點消息確認后才能進入下一個階段，而每輪結束后會產生新區塊[3]。

IPBFT是基于消息傳遞的已執行算法，執行過程包括以下5個步驟

（1）從全網節點選出主節點f，經過共識過程最長時間t后，向其他的共識節點廣播，要求系統運行時所有節點不容許加入和退出，f向其他的n-1個節點發協議消息。

（2）每個節點在接收到主節點的廣播后，需要驗證協議消息，通過后會向主節點和其他的節點確認區塊消息，進行哈希值進行校驗，交易執行完后要根據交易結果來計算新區塊的哈希摘要，按照時間順序排序。

（3）如果這個節點驗證協議消息不通過，表明懷疑主節點f有誤，沒有通過共識，需要發出更換視圖請求，其他節點收到這個請求后或暫停共識，確認消息，當收到了2n +1 條確認消息后更換視圖，否則在時間t后重復該流程。

（4）如果每個節點收到的2n個其他節點發來的確認消息都一樣，表明達到了共識。

（5）如果一個節點收到了2n +1 條確認消息，就可以提交新區塊及其交易到本地的區塊鏈并更新狀態數據庫，最后需要更換視圖并清除緩存，再開始下一輪的共識，是個循環執行過程。

聯盟鏈系統采用IPBFT共識算法使得交易確認速度顯著提高，交易吞吐量也可以滿足現有的數據交易規模，可以解決數據丟失、損壞、延遲的問題，通過系統中大部分的誠實節點來覆蓋掉惡意節點的發來的消息，可以保證其安全性和靈活性，對網絡環境具有較好的容錯能力，保障系統病歷數據的一致性。

4 構建電子病歷系統模型

基于聯盟鏈的區塊鏈電子病歷系統，包括了由P2P網絡連接的n（n≧4）個節點；區塊鏈由創世區塊和多個數據結構相同的區塊采用哈希值來鏈接構成，創世區塊中的特殊字段包含區塊鏈ID、主節點f、共識算法IPBFT、數據讀取的規則和智能合約；一般主節點是計算選出的，具有寫數據的權限，而加入聯盟鏈實例的新節點要根據規則來判斷是否具有讀取電子病歷數據的權限，是否可以獲取寫電子病歷數據的權限。

電子病歷系統的功能模塊如圖所示，由以下五個模塊構成：病歷管理模塊，用于查詢患者詳細信息、新建、修改病歷數據和上傳圖片，支持對節點本地的系統數據庫訪問；病歷權限管理模塊，用于病人的掛號，注銷和查詢病歷權限；加密模塊，采用PKI 體系和密碼學原理用于提供哈希算法、數字簽名算法，還有對密鑰的驗證、交易等管理；登錄模塊，用于對所有用戶的身份信息進行管理，包括每個節點用戶的注冊、登錄和注銷，所有需要加入聯盟鏈的用戶必須先經過系統節點的審核和驗證才可以加入；區塊鏈客戶端模塊，用于后端客戶端對區塊鏈網絡的請求管理、通道創建、節點信息配置和部署鏈代碼。

圖3 系統的功能模塊圖

研究兩家三級醫院A和醫院B的電子病歷系統和數據庫，結合醫療健康信息集成規范IHE 構建電子病歷共享系統模型，兩家醫院通過加入機構聯盟智能合約，認證中心進行身份認證和授權。由于區塊鏈的存儲容量受限制，所以個人醫療記錄都存放在鏈下的數據庫中，區塊鏈中只保留對該數據在數據庫中的引用。

在電子病歷共享系統中，各個醫院醫生和患者都可以連接到這個系統，醫療機構之間建立聯盟區塊鏈，每個醫院或機構通過注冊授權后生成一個代碼，每個醫務人員用這個代碼在上傳患者病歷時采用電子簽名，具有可追溯性，防止別人篡改信息，保證數據的完整性。電子病歷里面的信息用區塊鏈技術來存儲和交易，醫生把患者的診療信息先記錄到數據庫里，再加上數字簽名。該醫院登錄進入區塊鏈的聯盟鏈，把患者的關鍵信息通過加密算法寫入區塊鏈，給患者生成一個用戶的唯一身份標識符（手機驗證碼、二維碼或密鑰），患者用這個密鑰通過系統可以查詢自己的病歷，也可以授權給其他醫生和醫院查詢病史。互聯網+大數據電子病歷未來的總體發展趨勢將是高智能化、嚴標準化、大集成化和區域共享化。

5 研究電子病歷共享系統的智能合約

智能合約系統Hyperledger Fabric是開源區塊鏈底層系統，提供了豐富的API接口，可以在上面開發各種區塊鏈應用場景，是面向企業聯盟的區塊鏈應用。本電子病歷系統設計了四個智能合約：。注冊管理合約、權限管理合約、病歷管理合約、索引合約、機構聯盟合約。注冊管理合約把患者、醫生的身份字符串放到區塊鏈上的地址作為唯一標識；權限管理合約定義了醫生和患者對病歷的操作權限；病歷管理合約把醫生在數據庫上執行時，將返回一個患者數據的子集，醫生節點向區塊鏈提交一份記錄上傳申請；索引合約把患者或醫療機構作為索引，用于患者訪問數據庫查找自己的病歷歷史；機構聯盟合約把醫療機構的身份字符串放到區塊鏈上的地址，形成聯盟。指針包括實際存儲原始電子病歷數據的醫療機構的本地數據庫訪問信息，電子病歷信息的哈希值用來查詢患者電子病歷信息和其他查詢的SQL語句[5]。

6 總結

本文研究將聯盟區塊鏈技術與電子病歷相結合，嘗試打造基于區塊鏈技術的電子病歷，區塊鏈電子病歷數據不單獨在醫生、醫院以及任何第三方手里進行存儲，而是由所有區塊鏈上的參與者共同維護每個人的信息安全，并且患者掌握自己電子病歷的核心數據，患者能夠對自己的電子病歷查詢、交易等進行授權，也可以查看到歷史記錄。由于區塊鏈上的每次交易都會保留記錄，而且所有參與者的信息都是一致的，這就避免了有人惡意篡改系統信息，使區塊鏈上的數據更加安全。

目前國內外對區塊鏈技術的研究還處于發展的初級階段，而電子病歷包含的內容是病患用戶最完整、詳細的臨床信息資源，用區塊鏈系統存儲個人醫療記錄，由于存儲容量受限制，不能把個人醫療記錄都存放在鏈下的數據庫中，區塊鏈中只保留對該數據在數據庫中的引用，研究如何在醫療機構間建立聯盟區塊鏈，利用區塊鏈技術存儲患者的關鍵醫療記錄和交易記錄，具體哪些數據和信息需要存儲到區塊鏈，如何設計智能合約；需要采用改進的PBFT 共識算法、橢圓曲線加密算法和數字簽名等的研究來提高其效率和安全性。這個平臺的實現可以方便患者跨區域跨院看病，對醫療數據的整合、挖掘和研究，提升了醫療系統的服務質量，對今后醫療大數據背景下共享醫療資源提供了理論參考。

[1]袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報，2016，42（04）：481-494.

[2]張守坤.密碼學貨幣及其在金融領域中的應用研究[D].哈爾濱理工大學，2016.

[3]楊茜.基于區塊鏈的智能合約研究與實現[D].西南科技大學，2015.

[4]楊超，劉佳.醫院信息化數據平臺構建研究[J].才智，2012（29）：42-43.

[5]王毅琳，李剛榮.B/S架構下基于JSP技術的病人信息查詢系統設計[J].中國數字醫學，2010，5（12）：26-28.

遵義市科技局基金項目：基于區塊鏈技術的共享電子病歷系統研究（項目編號：遵市科合HZ字（2020）43號）